激光仿生微织构在水下航行器领域减阻研究

《激光仿生微织构在水下航行器领域减阻研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、激光仿生微织构在水下航行器领域减阻研究　　摘要：文章围绕水下航行器的减阻研究展开讨论，对水下航行器减阻基本措施进行分析。结合仿生微织构的研究热点，提出运用激光直写制备仿生微织构的设计思想，从技术实现方法的角度分析了可行性，技术利用多光束激光干涉产生的图案（空间上多周期的能量分布）直接加工或修改材料表面（曲面或平面）形成与图案相对应的高精度纳米级、微米级及微纳混合的周期性结构，得到具有特殊物理和化学特性的材料表面，可为水下航行器提供一种表面仿生微织构制备方法，属于对现有水下航行器摩擦学性能的改进，提高水下航行器的减阻性能。　　关键词：水下航行器减阻激光干涉仿

2、生微织构　　中图分类号：U67文献标识码：A文章编号：1674-098X（2016）11（c）-0045-03　　中国是路海兼备的发展中海洋大国，海洋为中国经济的可持续发展提供了广阔的发展空间，在这样的宏观背景下，探索认知海洋是开发利用和保护海洋的先决条件。水下航行器是一种航行于水下的航行体，它能够完成水下勘探、侦测甚至军事上的进攻防守等任务，在海洋经济建设和海洋国防中发挥着重要作用。海洋环境特殊，条件苛刻，水下航行器的运行速度和能量消耗是评价航行器的续航能力、运行成本和航行体性能的重要指标。航行器在海水中的运行阻力是制约航行器在水下运行速度和能量消耗的关

3、键因素。据统计，摩擦消耗了世界能源的1/3以上，磨损导致了约60%的机械材料损耗，其中船舶机械中70%左右的失效与摩擦磨损有关[1]。减小水下航行器的运行阻力可在提高航速和续航能力的同时节省能源，提高水下航行器的负载能力。因此，降低水下航行器阻力是提高水下航行器航速的有效方法之一。　　1水下航行器减阻基本措施　　水下航行器的分类有多种类型，按用途分有作业用和测量用两类，根据脐带电缆的有无可分成有缆、无缆、有缆无缆通用型三类，按尺寸可分为超小型、小型、中型、大型等，按有无人控制可分为载人水下航行器和无人水下航行器。当水下航行器在水中工作时，由于海水具有粘性的

4、缘故，水下航行器周围有一薄层水被带动随同运动，称为边界层。稳定的层流层将有助于减小摩擦。边界层水分子运动速度不同，水和航行器表面及水内部相互作用，对航行器表面产生切向应力。这个切向应力与航行方向之间的合力即为水下航行器的摩擦阻力。用下式表示：　　其中，ρ为海水密度，V为水下航行器的航行速度，S为水下航行器表面积，为水下航行器的摩擦阻力系数。由上式可知，航行器的摩擦阻力与航行速度和摩擦阻力系数相关。目前，主要的水下航行器减阻方法主要从降低航行器的摩擦阻力系数入手，降低水下航行器的摩擦阻力。　　水下航行器?p阻的主要方法包括随行波减阻法、涂层减阻、微气泡减阻法

5、、柔性表面减阻法、外形优化设计减阻法、仿生微织构减阻法等。各种减阻方法的主要思路就是改变流场的状态，延长层流，抑制湍流，推迟从层流到湍流的发展，达到降阻的目的。其中，仿生减阻运用类比、模拟及模型方法复刻动植物特有外表结构，其目的不在于直接复制各个细节，而是要明确生物系统的工作原理，以实现特定功能。微织构减阻只需要在航行器表面加工出微织构结构或者粘附微织构薄膜等就可实现减阻，不需要外加设备，应用前景广阔。仿生微织构减阻将仿生学和微织构减阻结合，属于仿生研究模型的延伸，在明确生物系统工作原理的基础上，与工程应用结合，可显著提高表而摩擦学性能，降低摩擦阻力，已得

6、到国内外科学技术工作者的广泛关注，具有广泛的应用前景。　　2仿生微织构减阻研究进展　　为了适应优胜劣汰的生存法则，动物在进化过程中都有制胜的对策。其中，比较广泛的选择是在体表形成一定规模和尺寸的表面织构，如，海豚皮肤结构，真皮层有许多乳头状的突起可以在运动过程中承受巨大的压力。同时，皮肤附近的水流由涡流层变成层流层，在水中游动时皮肤就类似于一种减振器，按水流的波动起伏，灵活变形，把阻力减到最小，成为海洋中的游泳高手；穿山甲的体表凹凸明显，体表鳞片曲率波纹的存在，让土壤与体表的接触面之间存在一定的空隙，使凹处形成无土区，即使在粘土里穿行，也可以打断连续水膜的

7、形成，减少与土壤之间的真实接触面积，凹区储存的空气可形成空气膜降低摩擦系数，增加润滑效果，有利于其穿梭于土壤砂石之间。目前科学家仿造海豚特殊的皮肤结构，制造了人造海豚皮，虽然只能模仿海豚皮肤的部分功能，但是已成功将阻力减小40%～60%，目前已经应用到鱼雷和潜艇领域。英国的CV90“犰狳”战车，车身拥有良好的斜角设计，垂直装设的装甲侧裙板采用先进的复合材料制成，可吸收雷达波并降低车辆运作时所散发的红外线，具有反雷达追踪能力，即便在遭遇核生化环境下，其外型也有助于进行除污等洗消作业，是目前最著名的穿山甲仿生设计，具有软硬兼施的防护力，堪称现实版的穿山甲。科学

8、研究发现鲨鱼皮表面微沟槽结构的出现，涡旋只与微沟槽尖峰接触，剪切应